Carburo di silicio, nitruro di gallio, RB-IGBT: formule e sigle che mostrano i continui sforzi e le innovazioni della ricerca nel settore dell’elettronica di potenza. Uno sguardo, anche se minimo, sulle ultime tendenze nel campo.
I problemi ambientali, noti come global warming, richiedono soluzioni innovative in quelle tecnologie che maggiormente hanno impatto sulla produzione di calore e soprattutto di CO2. Tra le tante tecnologie suscettibili di innovazione orientata all’efficienza energetica e funzionale, l’elettronica di potenza è già da tempo nell’attenzione dei produttori. L’energia è alla base della funzionalità e della sopravvivenza della società moderna, e ormai da tempo si sente la necessità di efficienza energetica in quasi tutti i settori applicativi, da quello industriale a quello civile. È evidente ormai che, a parte i problemi ambientali, l’efficienza energetica condiziona in maniera drammatica la fattibilità di applicazioni di grande impatto sul mondo industriale e civile, come per esempio i trasporti e le comunicazioni (automotive industriale, elettronica domestica, telefonia cellulare, ecc.).
L’innovazione nell’elettronica di potenza viene dal lontano 1980 quando fu brevettato e successivamente commercializzato il transistor bipolare a gate isolato noto come IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), un componente a semiconduttore capace di operare come interruttore in regime di alte potenze elettriche (migliaia di Ampere e migliaia di Volt). Gli IGBT hanno rappresentato un’innovazione relativamente allo stato dell’arte rappresentato dai tristori e dei semplici transistor di potenza in tecnologia MOS.
Anche se la prima generazione di IGBT non era particolarmente performante, il miglioramento ottenuto nel tempo ha portato questo componente ad essere il componente chiave di dispositivi essenziali nelle applicazioni industriali come gli inverter (fotovoltaico e automotive). Solo grazie agli IGBT di ultima generazione è stato possibile soddisfare in applicazioni ad elevato grado di embedding il requisito di compattezza e basso costo.
La combinazione tra l’innovazione degli IGBT con quella degli interruttori MOSFET ad alta velocità ha contribuito ad ottenere elevate prestazioni in spazi ridottissimi come quelli tipici delle applicazioni dei sistemi di elaborazione dell’informazione. (Figura 1)
Un caso emblematico di innovazione è quello del RB-IGBT (Revers Blocking IGBT) di Fuji Electronics (A. Odaka, et al. “An application technique of a novel IGBT with Reverse Blocking Capability for a direct linked type converter”, in European Conference on Power Electronics and Applications, 2003). L’innovazione consiste nell’integrazione della funzione di Revers Blocking nell’IGBT, che normalmente richiede la combinazione multistadio di converter A/DC e DC/DC. Il vantaggio RB sta in una riduzione delle dimensioni del componente RB-IGBT e in una significativa riduzione della perdita di potenza (Figura 2).
Carburo di silicio per l’elettronica di potenza ad alte prestazioni
Date le peculiarità del carburo di silicio (SiC) particolarmente favorevoli all’implementazione di applicazioni ad elevate prestazioni di potenza elettrica, i produttori di elettronica basata sul silicio hanno sviluppato tecnologie innovative basate sul SiC, come quella dei moduli ibridi CoolSiC di Infineon (EasyPACK). Questi consistono di diodi SiC e chip IGBT che soddisfano ampiamente i requisiti applicativi di applicazioni embedded come i sistemi di gestione e di controllo dell’energia solare.
Anche STMicroelectronics ha puntato sulla combinazione SiC – Si con l’implementazione di moduli di potenza come gli ACEPACK per applicazioni industriali come i driver di motori, gli inverter per il solare, le stazioni di ricarica elettrica, gli UPS, le stazioni di saldatura, i convertitori di potenza e le varie soluzioni per le auto elettriche. In questo caso l’innovazione sta nella combinazione dell’elettronica Si e della microelettronica computazionale (microcontrollori) con l’elettronica SiC (switch di potenza che combinano MOSFET SiC con IGBT). (Figura 3)
Carburo di silicio: oltre il silicio
Il carburo di silicio (SiC) è un materiale ceramico in cui carbonio (C) e silicio (Si) sono legati insieme in una struttura (SiC) particolarmente dura con un grado prossimo a quello del diamante. Per le sue caratteristiche elettriche il SiC è utilizzato nell’industria dei semiconduttori per applicazioni di elettronica di potenza avanzate (alta frequenza, elevate temperature, alta potenza).
Le peculiarità dei SiC possono riassumersi in:
- elevata conducibilità termica;
- elevata efficienza energetica;
- basse perdite di potenza nella commutazione;
- resistenza agli stress termici;
- ridotte dimensioni;
- ridotte necessità di raffreddamento;
- durata tendenzialmente illimitata.
Tali peculiarità rendono questo materiale ideale per le applicazioni di elettronica di potenza a valori di tensione impossibili per l’elettronica basata sul silicio semiconduttore.
Dato che nelle applicazioni ad alta potenza il Bandgap è un parametro importante relativamente alla conduttività per operare ad elevate temperature, tensioni e frequenze, il silicio con un valore di Bandgap di 1,12 eV ha dimostrato nel tempo la sua inadeguatezza a supportare applicazioni di elettronica di potenza, mentre il SiC con un valore di Bandgap molto maggiore (3,26 eV) si è dimostrato un ottimo sostituto dei semiconduttori basati sul silicio per le applicazioni di elettronica di potenza. L’elevato Bandgap dei SiC li caratterizza per un’alta resistenza ai campi elettrici elevati, quindi ad elevate tensioni come è tipico delle applicazioni di controllo della potenza elettrica.
I SiC, rispetto ai dispositivi Si, a parità di tensione operativa sono più piccoli di almeno 10 volte, quindi commutano più velocemente garantendo frequenze operative elevate non consentite dai dispositivi Si.
Il nitruro di gallio (GaN) compete con il SiC e il Si
Il nitruro di gallio (GaN) è la combinazione di gallio e azoto, una combinazione cristallina esagonale con caratteristiche di elevato Bandgap (tre volte superiore a quello del silicio). È dunque un materiale semiconduttivo simile al SiC, relativamente alla capacità di gestire le elevate tensioni operative, ma significativamente differente nella mobilità degli elettroni (650 dei SiC contro 2000 dei GaN), fattore che rende i GaN più soddisfacenti nelle applicazioni ad elevata frequenza.
ON Semiconductor ha sviluppato una collaborazione con Mercedes-EQ Formula E-Team per supportare tecnicamente il team per lo sviluppo di un propulsore capace di fornire prestazioni elevate in ambito competitivo della formula E. Le tecnologie innovative sono basate su GaN e SiC, a conferma che queste rappresenteranno i materiali ad elevate prestazioni per la conversione ad elevata efficienza nei veicoli elettrici.
